D语言

D语言是一种编程语言,具备多范型,例如面向对象指令式。由沃尔特·布莱特安德烈·亚历山德雷斯库所开发,起源自C++,深受C++的影响,然而其不是C++的变种,而是重新设计来自C++的部分特性,并受到其它编程语言观念的影响,如JavaC#以及Eiffel。2007年1月2日发布1.0稳定版本。2007年1月17日发布2.0版本。

D语言
多范型函数式指令式面向对象
设计者Walter BrightAndrei Alexandrescu
2001年12月8日2001-12-08[1]
当前版本
  • 2.108.0 (2024年4月1日;稳定版本)[2]
型态系统静态强类型
网站
主要实作产品
DMDGDCLDC
启发语言
CC++C#JavaEiffel

Walter Bright本身是Symantec C++编译器的作者,另一名作者Andrei AlexandrescuFacebook的研究科学家,他与一个团队用D语言重写一些Facebook的重要操作。[3]

特性

D的设计来自实际的C++用法的经验教训,而不是从理论的角度。D沿用了很多C/C++观念,同时摒弃了一些概念,因此D并不完全兼容C/C++代码。D实现了C++的功能,实现了契约式设计(design by contract)、单元测试、真正的模块性自动化内存管理(垃圾回收)、头等数组(first class array)、关联数组动态数组数组切片嵌套函数(嵌套函数)、内部类别闭包的限制形式、匿名函数、编译时期函数运行惰性计算以及革新的模板语法。D保有C++的性能以进行低级编程,并加入完整的内联汇编器支持。C++的多重继承改以Java 单继承接口混合的风格取代。D的、语句和表达式语法几乎和C++一样。

内联汇编器(inline assembler)象征了D和JavaC#等应用编程语言的不同。内联汇编器让程序员输入机器特定的汇编语言码,如同标准D代码—通常由系统程序员使用的技术,以访问处理器的低级功能,直接以硬件下的界面运行程序,如操作系统以及驱动程序

D内置支持文档注解,不过目前为止,只有Digital Mars实作版本有提供文档产生器

编程范型

D支持五种主要的编程泛型指令式面向对象以及元编程函数式并发演员模型)。

指令式

命令式编程几乎和C一样。函数、数据、语句、声明以及表达式的运作就如同C一般,且可直接访问C运行时期程序库。

面向对象

在D里面的面向对象编程,是以单继承分层结构,配合所有类别衍伸自类别对象为基础。多重继承可使用界面(界面很像C++的抽象类别)。

元编程

以模板组合、编译时期函数运行、多元组以及字符串混合来支持元编程。

内存管理

内存通常以垃圾回收管理,不过当这些对象超出作用域时,可立即结束指定的对象。还是可以使用重载操作符new和delete,以及简单的直接调用C的malloc函数和free函数以进行显示的内存管理。垃圾回收可禁用个别的对象或事件,以健全整个程序,如果在内存管理上有更多的控制,则更为理想。当垃圾回收在程序中有所不足时,手册还提供许多如何实作不同的高度优化内存管理方案的范例。

与其它系统的相互作用

支持C的应用程序二进制接口(ABI),以及C的基本和衍伸型态,就能直接访问现有的C代码以及程序库。C的标准函数库也是D标准的一部分。除非你使用非常清楚的命名空间,它可以稍微散乱的访问,因为它散布遍及于D模块—不过纯粹的D标准函数库也通常够用,除非要与C代码接合。

并未完整支持C++的ABI,尽管D可以访问写给C ABI的C++代码,且可访问C++COM(组件对象模型)代码。D语法分析器了解外部(C++)调用约定,以链接C++对象,不过它只实作在D 2.0

D 2.0

D 2.0,D 新一代版本,D2.0与D1.0是不兼容的,类似Python2和Python3的区别。目前D2已经稳定下来。其中一部分特性包括支持强制常数正确性(const-correctness),以及有限的支持链接以 C++ 编写的代码。

实现

目前D直接编译原生码以高效运行。

D语言1.x版本已稳定,不再功能变更或扩展,2.0版本是其正式版本,不完全兼容旧版本的语言和编译器。官方编译器由Walter Bright定义语言本身。

  • DMD编译器页面存档备份,存于:Digital Mars D编译器,由Walter Bright编写的官方D编译器。编译器前端的授权许可为Artistic LicenseGNU GPL两者;前端的原代码连同编译器运行码一起发布。编译器的后端则是私有的。
  • GDC页面存档备份,存于:D 1.0编译器,以DMD编译器前端,以及GCC后端所组成。
  • LDC页面存档备份,存于:D 2.0编译器,以DMD编译器前端,以及LLVM后端所组成。LDC的官方版本已不支持D1.0,但其分支版本依然支持D1.0[4]

问题和争议

操作符重载

D操作符重载在一定程度上不如C++强大。简单的例子是opIndex,它不允许返回引用。这使像是obj[i] = 5;的赋值不可能存在。D的解决方法是opIndexAssign操作符,它只用于这种特殊情况。此外,C++返回参考的方法允许返回型态的重载赋值操作符的用法。这在目前的D还不可能做到。D 2.0将会引入opIndexLvalue修正 - 类似操作符重载和opIndexAssign

低功的结构

结构在D之中是一种朴素旧式数据的型态,不过也可像变量一样包含方法。这对有意轻量化的建构而言相当实用,如矩阵或矢量,这些不需要完整的D类别功能(以及体积)。然而,D结构没有建构子和解构子。建构子可用静态opCall操作符部分取代,不过它没有适合的解构子等价物。此外,结构不允许继承,这会是有益的设计,如诡异循环模板模式(curiously recurring template pattern)的使用。

标准函数库中缺乏功能

D的标准函数库称作Phobos页面存档备份,存于,且时常被认为过分简单。tango页面存档备份,存于项目编写另一个标准函数库试图修正这一部分,不过phobos和tango目前由于不同的对象类别实作(导致垃圾回收困难)而互不兼容。存在两种事实上的标准函数库可能导致更大的问题,部分软件使用phobos,而其它软件使用tango。

缺乏明确的目标

D经常限于「修正并改进的C++」。这会导致过分强调功能,这起因于加入新功能只是因为他们认为有用。举个例子,

未完成对共享/动态函数库的

Unix的ELF共享函数库使用GDC编译器到某个程度。在Windows系统中,目前还不支持DLL。因此现阶段不可能编写插件。不像C++,经由C函数发送的D对象将不能运作,因为这将会与垃圾回收器产生冲突。

范例

范例1

这个范例程序会输出它自己的命令行参数。main函数是D程序的进入点,args是表示为字符串数组的命令行参数。在D语言里的字符串是一个字符数组,以char[]表示。新版本中定义stringchar[]的别名,不过别名定义必须与旧版本兼容。

import std.stdio;       // 以使用writefln()
alias char[] string;    // 以兼容旧的编译器;新的编译器中已隐含定义
int main(string[] args)
{
    foreach(i, a; args)
        writefln("args[%d] = '%s'", i, a);
    return 0;
}

foreach语法可迭代所有的集合,在本例中,它从args数组生成索引(i)和值(a)的串行。索引i和值a的型态会从args数组的型态推断。

范例2

本例使用关联数组创建更复杂的数据结构。

import std.stdio;       // 以使用writefln()
alias char[] string;    // 以兼容旧的编译器;新的编译器中已隐含定义

int main(string[] args)
{
    // 声明以字符串键和字符串数组作为数据的关联数组
    string[] [string] container;

    // 将人们加入到容器中,并让他们携带一些项目
    container["Anya"] ~= "scarf";
    container["Dimitri"] ~= "tickets";
    container["Anya"] ~= "puppy";

    // 迭代容器中所有的人
    //Iterate over all the persons in the container
    foreach (string person, string[] items; container)
        display_item_count(person, items);
    return 0;//完成
}

void display_item_count(string person, string[] items)
{
    writefln(person, " is carrying ", items.length, " items.");
}

范例3

本例繁多的注解显示出D语言与C++ 的不同之处,以及仍然保留的方面。

#!/usr/bin/dmd -run
/* 支持sh风格的script语法!*/
/* D语言的Hello World
 * 进行编译:
 *   dmd hello.d
 * 或进行优化:
 *   dmd -O -inline -release hello.d
 * 或产生文档:
 *   dmd hello.d -D
 */

import std.stdio;       // 参照常用的I/O例行工作。
alias char[] string;    // 以兼容旧的编译器;新的编译器中已隐含定义

int main(string[] args)
{
    // 'writefln' (写入-格式化-行,Write-Formatted-Line)即型态安全的「printf」
    writefln("Hello World, "             // 自动链接的字符串文本
             "Reloaded");

    // 字符串即字符的动态数组「char[]」,别名为「string」
    // 自动的型态推断,以及内置的foreach
    foreach(argc, argv; args)
    {
        auto cl = new CmdLin(argc, argv);                       // 支持OOP
	writefln(cl.argnum, cl.suffix, " arg: %s", cl.argv);    // 用户定义的类别属性。

	delete cl; 	              // 垃圾回收或显示的内存管理——由你自己选择
    }

    // 嵌套结构、类别和函数
    struct specs
    {
        // 所有的变量会在运行时期自动初始化为0
        int count, allocated;
 	// 不过你可选择避开数组的初始化
        int[10000] bigarray = void;
    }

    specs argspecs(string[] args)
    // 可选用的(内置)函数契约。
    in
    {
        assert(args.length > 0);                   // 内置assert
    }
    out(result)
    {
        assert(result.count == CmdLin.total);
        assert(result.allocated > 0);
    }
    body
    {
        specs* s = new specs;
        // 不需要「->」
        s.count = args.length;  // 「length」属性是元素的数量。
        s.allocated = typeof(args).sizeof; // 原生型态内置的属性
 	foreach(arg; args)
 	    s.allocated += arg.length * typeof(arg[0]).sizeof;
 	return *s;
    }

    // 内置字符串和普通的字符串操作,例如「~」是链接。
    string argcmsg = "argc = %d";
    string allocmsg = "allocated = %d";
    writefln(argcmsg ~ ", " ~ allocmsg,
	    argspecs(args).count,argspecs(args).allocated);
    return 0;
}
 
/**
 * 保存单独命令行参数
 */
class CmdLin
{
    private
    {
        int _argc;
        string _argv;
        static uint _totalc;
    }
 
    public:
        /**
         * 对象的建构子。
         * 参数:
         *   argc = 参数的串行计数。
         *   argv = 参数内文。
         */
        this(int argc, string argv)
        {
            _argc = argc + 1;
            _argv = argv;
            _totalc++;
        }

        ~this() // 对象的解构子
        {
            // 本例中不做任何事。
        }

        int argnum() // 属性,可返回参数数目
        {
            return _argc;
        }

        string argv() // 属性,可返回参数内文
        {
            return _argv;
        }

        wstring suffix() // 属性,可返回序数后缀
        {
            wstring suffix; // 内置Unicode字符串(UTF-8,UTF-16,UTF-32)
            switch(_argc)
            {
                case 1:
                    suffix = "st";
                    break;
                case 2:
                    suffix = "nd";
                    break;
                case 3:
                    suffix = "rd";
                    break;
                default:  // 'default' is mandatory with "-w" compile switch.
                    suffix = "th";
            }
            return suffix;
        }

        /**
          * 静态属性,如同在C++ 或Java中,
          * 适用于类别对象,而不是实体。
          * 返回:己加入的命令行参数总数。
          */
        static typeof(_totalc) total()
        {
            return _totalc;
        }

        // 类别不变量,任何方法在运行之后,这些必须为真。
        invariant ()
        {
            assert(_argc > 0);
            assert(_totalc >= _argc);
        }
}

范例4

本例显示出一部分D语言强大的编译时期特性。

/*
 * D语言里的模板比C++ 的要更加强大。
 * 在此可以看到使用static if(D的编译时期条件建构)简单的建构出阶乘模板。
 */
template Factorial(ulong n)
{
    static if( n <= 1 )
        const Factorial = 1;
    else
        const Factorial = n * Factorial!(n-1);
}

/*
 * 这里有一个正规的函数,可完成同样的计算。
 * 注意它们有多么的相似。
 */
ulong factorial(ulong n)
{
    if( n <= 1 )
        return 1;
    else
        return n * factorial(n-1);
}

/*
 * 终于,我们可以计算我们的阶乘。注意,我们不需要去
 * 明确的指定我们的常数的型态:编译器有足够的智能为
 * 我们填充空白,因为它早已知道赋值中右手边的型态。
 */
const fact_7 = Factorial!(7);

/*
 * 这是编译时期函数评估的范例:普通函数可用于常数、
 * 编译时期表达式,假若它们满足一定的条件。
 */
const fact_9 = factorial(9);

/*在此我们可以看到多么强大的D我们使用 
 * std.metastrings.Format模板完成型态安全的printf 
 * 数据格式化,并使用message pragma显示计算结果。
 */
import std.metastrings;
pragma(msg, Format!("7! = %s", fact_7));
pragma(msg, Format!("9! = %s", fact_9));

/*
 * 完成任务后,我们可以强制停止编译。这样的程序需是
 * 从未实际编译成可运行档!
 */
static assert(false, "My work here is done.");

参考数据

  1. . D Programming Language 1.0. Digital Mars. [1 December 2011]. (原始内容存档于2019-03-11).
  2. . [2024年4月2日].
  3. Metz, Cade. . Wired.com. 《连线》杂志. 2014年7月7日 [2014年7月27日]. (原始内容存档于2014年7月26日). Today, Alexandrescu is a research scientist at Facebook, where he and a team of coders are using D to refashion small parts of the company’s massive operation.
  4. . [28 August 2012]. (原始内容存档于2013-08-24).

外部链接

维基教科书中的相关电子:Programming:D

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